耿聰聰，蘇麗俐，萬心東，許增滿，陳玉明

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300； 2.吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

隨著汽車生產(chǎn)工藝不斷提升，消費(fèi)者對(duì)舒適性要求越來越高，零部件的質(zhì)量問題越來越凸顯重要性，特別是輪胎。與輪胎相關(guān)的NVH問題不僅僅有低速路噪、胎噪問題，也有高速抖動(dòng)、擺動(dòng)和異響等問題。隨著國內(nèi)NVH技術(shù)不斷地發(fā)展，零部件級(jí)別的NVH研究也越來越深入。

現(xiàn)階段國內(nèi)外針對(duì)輪胎引起的高速嗡嗡聲問題研究多集中于臺(tái)架試驗(yàn)和理論分析，而整車方面遇到的輪胎高速均勻性導(dǎo)致高速嗡嗡聲問題研究特別少。熊冉等人[1]通過研究輪胎徑向力八次諧波對(duì)輪胎高速噪聲的影響，提出了優(yōu)化生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控的具體方法，解決了徑向力八次諧波引起的輪胎噪聲問題。當(dāng)前，提升輪胎高速均勻性、改進(jìn)生產(chǎn)工藝等方法是解決高速嗡嗡聲問題的新趨勢，值得深入研究。

本文作者針對(duì)試生產(chǎn)階段某車車速在90～100 km/h時(shí)車內(nèi)存在的明顯、間斷嗡嗡聲問題，做了一系列針對(duì)性分析，并提出相應(yīng)改進(jìn)方案，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 問題源排查

車輛在高速行駛時(shí)，主要激勵(lì)源有發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎。為了便于查找噪聲源，特意挑選嗡嗡聲最明顯的車輛進(jìn)行排查。

1.1 排查思路

(1)另外找一臺(tái)狀態(tài)正常車輛，與問題車進(jìn)行頻譜對(duì)比，從頻譜圖中識(shí)別高速嗡嗡聲問題頻率，確定問題；

(2)依據(jù)問題頻率，在傳遞路徑上布置振動(dòng)傳感器，進(jìn)一步識(shí)別噪聲源；

(3)確定噪聲源后，對(duì)問題進(jìn)行工程可行性方案整改；

(4)對(duì)工程可行性方案進(jìn)行驗(yàn)證，確定問題是否得到解決。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在正常車和問題車的駕駛員內(nèi)外耳、副駕駛員外耳、左后乘員外耳、右后乘員外耳位置分別布置傳聲器；在問題車上左右轉(zhuǎn)向節(jié)、左右后輪輪心、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、變速箱輸出軸等分別布置振動(dòng)傳感器。

測試道路選擇光滑平整瀝青路；測試設(shè)備有LMS 數(shù)據(jù)采集前端、北智加速度傳感器、PCB傳聲器；測試工況為勻速98 km/h和120～70 km/h滑行工況。

2 理論分析

理想狀態(tài)的輪胎形狀為正圓，剛度、尺寸、質(zhì)量分布等都是均勻的。由于輪胎是由橡膠、鋼絲、纖維等復(fù)合材料制成，容易出現(xiàn)構(gòu)造及工藝上的缺陷，這使得輪胎剛度、尺寸、質(zhì)量分布等不可能是完全均勻的。

均勻性差的輪胎在光滑路面上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在受到來自路面對(duì)輪胎旋轉(zhuǎn)方向周期性的反向力時(shí)，會(huì)使輪胎軸沿輪胎徑向力、軸向力、周向力產(chǎn)生變動(dòng)。這些變動(dòng)的力，就是車輛行駛時(shí)簧下振動(dòng)激勵(lì)源。

輪胎的均勻性用力的變動(dòng)大小及輪胎晃動(dòng)的振幅大小來評(píng)價(jià)。表征均勻性的物理量分別為徑向力的變動(dòng)(FRV)、軸向力的變動(dòng)(FLV)、周向力的變動(dòng)(FTV)[5]，如圖1所示。

圖1 表征高速均勻性的3個(gè)方向力示意

生產(chǎn)輪胎時(shí)需要將帶狀的簾布層及胎面膠制作成圓環(huán)狀，所以兩端必須要進(jìn)行搭接，形成接頭，接頭是導(dǎo)致輪胎內(nèi)部剛度及尺寸不均勻的主要原因，從而引起FRV。其他非主要因素有如下幾點(diǎn)：

(1)部件的波動(dòng)，包括：胎面膠厚度的波動(dòng)；胎面膠的長度的不足；簾布纖維的端部的散亂。

(2)成型精度的波動(dòng)，包括：簾布纖維的端部的散亂；拼接量過多；各部材的拼接位置不合適；簾布纖維拼接的不均勻。

(3)生膠的變形。輪胎硫化機(jī)模具一般由8塊圓弧模具拼接而成，輪胎硫化機(jī)如圖2所示，模具如圖3所示。輪胎屬于旋轉(zhuǎn)件，高速行駛時(shí)噪聲呈現(xiàn)階次特性，若生產(chǎn)制造工藝不滿足設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成輪胎FRV值偏大，高速行駛時(shí)會(huì)有相對(duì)應(yīng)的8階、16階、24階等噪聲成分出現(xiàn)。

圖2 輪胎硫化機(jī)

圖3 輪胎硫化機(jī)模具

3 試驗(yàn)分析

3.1 問題頻率查找

對(duì)比測試問題車和正常車，從彩圖中識(shí)別出車內(nèi)嗡嗡聲主要頻率為106、212 Hz，利用回放濾波分析，確定對(duì)車內(nèi)嗡嗡聲影響較大的頻率為212 Hz，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 問題車與正常車車內(nèi)噪聲彩圖對(duì)比

3.2 噪聲源排查分析

對(duì)問題車做傳遞路徑振動(dòng)信號(hào)采集分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。從分析結(jié)果可知，只有左右轉(zhuǎn)向節(jié)振動(dòng)和左右后輪心振動(dòng)有響應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和變速箱輸出軸均無響應(yīng)，因此初步判噪聲源在車輪系。

由于振動(dòng)傳感器布置在輪心處，此處的零部件有制動(dòng)總成和輪胎總成，故需進(jìn)一步對(duì)噪聲源進(jìn)行分析識(shí)別。

將問題車和正常車的制動(dòng)總成和輪胎總成分別對(duì)調(diào)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，對(duì)調(diào)制動(dòng)總成嗡嗡聲未改善，對(duì)調(diào)輪胎總成后車內(nèi)嗡嗡聲改善明顯，且正常車出現(xiàn)了較明顯的嗡嗡聲，由此進(jìn)一步判定輪胎總成是主要噪聲源。分析結(jié)果如圖7所示。

圖5 車內(nèi)噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、變速箱輸出端振動(dòng)彩圖對(duì)比

圖7 原狀態(tài)和更換正常車輪胎后車內(nèi)噪聲頻譜圖對(duì)比

通過一系列試驗(yàn)分析最終判定問題根源在輪胎總成，接下來，對(duì)輪胎總成本身進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 輪胎空腔模態(tài)分析

4.1 輪胎空腔模態(tài)計(jì)算

自由狀態(tài)下輪胎空腔模態(tài)計(jì)算模型，輪胎內(nèi)的空氣可視為圓環(huán)狀，輪胎空腔模態(tài)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式中：fi為第i階輪胎空腔模態(tài)；c為輪胎內(nèi)聲音傳播速度(通常計(jì)算采用340 m/s，也可以根據(jù)聲速與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算c=331.4+0.6×t，其中t為溫度)；L為輪胎空腔周長(通常可采用2/3法計(jì)算)；R為輪胎空腔半徑。

問題車輪胎型號(hào)為215/50 R17，通過計(jì)算得出輪胎一階空腔模態(tài)頻率為210 Hz。對(duì)比第3.2節(jié)分析結(jié)果可知，210 Hz剛好是問題頻率，因此，可確定輪胎空腔模態(tài)與某一激勵(lì)頻率發(fā)生了共振。

借鑒世界著名輪胎廠家解決輪胎空腔模態(tài)問題方法，在輪胎空腔內(nèi)增加吸音棉進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 空腔模態(tài)驗(yàn)證分析

在4個(gè)輪胎空腔內(nèi)側(cè)分別粘貼一圈2 mm吸音棉，如圖8所示。做勻速驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示：問題頻率由212 Hz降低到了200 Hz，但問題依然存在。由此，確定胎內(nèi)加吸音棉只是問題頻率發(fā)生了轉(zhuǎn)移，分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 輪胎內(nèi)加一圈吸音棉示意

圖9 原狀態(tài)與胎內(nèi)加吸音棉車內(nèi)噪聲頻譜圖對(duì)比

對(duì)問題車進(jìn)一步作120～70 km/h滑行試驗(yàn)分析，確定問題階次。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，駕駛員內(nèi)耳噪聲和輪心振動(dòng)的16階明顯。由此，可以確定輪胎16階激勵(lì)頻率與輪胎空腔模態(tài)發(fā)生了耦合。分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 滑行工況車內(nèi)噪聲和輪心振動(dòng)對(duì)比

更換馬牌CC6輪胎(只換胎不換輪輞)作進(jìn)一步驗(yàn)證，通過試驗(yàn)分析可知，車內(nèi)噪聲有明顯改善，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 原狀態(tài)與馬牌CC6輪胎車內(nèi)噪聲頻譜圖對(duì)比

由以上分析可最終確定，問題根源是輪胎，且主要是輪胎徑向力波動(dòng)引起，因此，對(duì)輪胎本身進(jìn)一步作高速均勻性分析，輪胎均勻性分析結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎高速均勻性徑向力FR16H測試值 N

由表1可知，問題車輪胎FR16H值在30～40 N之間，正常車輪胎在10～20 N之間，馬牌CC6輪胎FR16H值在3～5 N之間，問題車的輪胎FR16H值比正常車大很多，說明輪胎FR16H不正常。

5 輪胎優(yōu)化及優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

5.1 輪胎優(yōu)化

對(duì)輪胎花紋塊模具進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)側(cè)板不平，導(dǎo)致錯(cuò)位花紋塊組裝上下錯(cuò)位。針對(duì)模具存在的問題，做以下生產(chǎn)工藝改進(jìn)：

大梁睜大眼睛瞄著我，臉上木木的，半天不說話。發(fā)了會(huì)兒怔，又轉(zhuǎn)過頭，瞅著對(duì)面的山墻，眉頭皺成一堆兒。我說你累了幾天了，早點(diǎn)兒歇息吧。說完我就帶上了門，想出去轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。

(1)硫化壓力控制。通過硫化試驗(yàn)確定合理的硫化壓力，并采用壓力自動(dòng)檢測設(shè)備進(jìn)行峰值壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(2)胎坯尺寸控制。優(yōu)化成型工藝過程，提高成型設(shè)備精度，合理設(shè)置抽檢頻率。

(3)硫化模具清理。增加自動(dòng)吹風(fēng)設(shè)備，清除硫化過程中縫隙間的雜質(zhì)。

(4)模具運(yùn)輸與存儲(chǔ)。采用專用儲(chǔ)物箱對(duì)八瓣模具進(jìn)行隔離存儲(chǔ)[1]。

為降低輪胎高速均勻性徑向力FRV值，繼續(xù)改進(jìn)輪胎冠帶纏繞張力控制系統(tǒng)，以保證輪胎冠帶側(cè)張力恒定。

為了確保優(yōu)化后輪胎生產(chǎn)穩(wěn)定性，現(xiàn)對(duì)改進(jìn)后輪胎進(jìn)行合格率調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表3所示。

表3 輪胎高速均勻性徑向力FR16H合格率

從以上200條輪胎各挑出2條胎(FR16H<10 N)進(jìn)行整車主觀評(píng)價(jià)和整車客觀試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.2 主觀評(píng)價(jià)

NVH部門組織研究院輪胎專業(yè)部門、生產(chǎn)基地質(zhì)量部、生產(chǎn)基地技術(shù)部門、SQE部門等共計(jì)10名工程師進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后輪胎主觀評(píng)價(jià)基本都在及格線以上，證明優(yōu)化方案有效。主觀評(píng)結(jié)果如表4所示。

表4 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果 分

備注：評(píng)分為10分制，6分及格，6分以下不可接受。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

從客觀測試結(jié)果分析可知，98 km/h勻速工況和120～70 km/h輪心振動(dòng)有明顯改善，對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲亦有明顯改善，分析結(jié)果如圖12—圖14所示。

圖12 勻速工況下優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲彩圖對(duì)比

圖13 勻速工況下優(yōu)化前后輪心振動(dòng)對(duì)比

圖14 滑行工況下優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲16階對(duì)比

6 結(jié)論

通過一系列的問題排查，鎖定到輪胎本身問題，并通過高速均勻性測試證明了此輪胎存在高速均勻性徑向力FRV值偏高問題。通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和優(yōu)化冠帶側(cè)纏繞張力控制系統(tǒng)等，降低了輪胎高速均勻性徑向力FRV值，從而解決了高速嗡嗡聲問題。

此文只是拋磚引玉，提出了解決該問題的其中一個(gè)方向，其他方面需要在工程實(shí)際中，針對(duì)問題點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性分析，因此，讀者可對(duì)文中內(nèi)容持開放性態(tài)度。